EVT混合動力汽車構型分析

1、一研究背景和發(fā)展進程 石油資源短缺與環(huán)境惡化問題成為傳統(tǒng)汽車的發(fā)展瓶頸，為了解決這種問題，近年來將節(jié)能技術應用在汽車上成為研究的熱點。除了對發(fā)動機本身進行節(jié)能的研究外，各汽車企業(yè)也開始致力于對新能源汽車的開發(fā)。于是，各樣的新能源汽車應運而生，特別是混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）出現(xiàn)。HEV 是指擁有兩種不同動力源的汽車，汽車在不同行駛工況下使這兩種動力源分別單獨驅動或者聯(lián)合驅動整車。兩種動力源的組合主要是，電能和燃油或者天然氣和燃油的組合。作為由傳統(tǒng)車向純電動過渡的中間車型，油電混合動力汽車利用電能的低成本和無污染的優(yōu)勢來減少燃油消耗和尾氣排放，從而實現(xiàn)

2、節(jié)油和環(huán)保的目的。并且這種車型還可以制動能量回收，將車輛減速或制動時的機械能轉變?yōu)殡娔艽鎯υ陔姵刂小?90 年代以來，混合動力汽車（HEV）的開發(fā)在許多發(fā)達國家（美、歐、日等）中受到高度重視，并取得了重大的進展。1997 年豐田公司推出 Prius 并在市場上熱銷，目前 Prius 也成為比較成功且已經產業(yè)化的混合動力汽車。Prius 采用的是行星齒輪機構結合雙電機所構成的動力總成系統(tǒng)。這種混合動力系統(tǒng)也稱為功率分流式混合動力系統(tǒng)。 Prius 這套動力總成系統(tǒng)構型特點決定了發(fā)動機工作點控制自由整車控制技術6，使 Prius 燃油量最大節(jié)省 50%，達到超低排放水平。第三代 Prius 的混合

3、動力系統(tǒng)是由雙行星排加兩個電機所構成的，這種構型通過后排的減速增扭使汽車動力性能得到大幅度提升。通用公司的雙模技術也是比較成功的功率分流式混合動力系統(tǒng)，相比于豐田公司的單模系統(tǒng)，雙模系統(tǒng)可以匹配較小的電機并在系統(tǒng)效率上具有優(yōu)勢。這兩種系列的功率分流式混合動力系統(tǒng)各有千秋，并將功率分流式 HEV 的技術研究推向世界前沿。 依據(jù)動力源的能量耦合方式，可將混合動力汽車分為三類：串聯(lián)混合汽車、并聯(lián)混合動力汽車和混聯(lián)混合動力汽車。串聯(lián)混合動力汽車 串聯(lián)式混合動力汽車的結構圖如圖1.1 所示。串聯(lián)式混合動力汽車的結構簡單，混合動力系統(tǒng)由發(fā)動機、發(fā)電機和電動機和蓄電池構成。車輛行駛過程中，發(fā)電機將發(fā)動機的機

4、械功率轉化為電功率；電動機將一部分電功率轉化為機械功率驅動車輪轉動，而另一部分的電功率則儲存到蓄電池之中。當發(fā)動機不工作時，可由電驅動系統(tǒng)驅動整車。 并聯(lián)混合動力汽車 并聯(lián)混合動力汽車的結構也較為簡單，動力總成包括發(fā)動機、電動機和發(fā)電機和動力電池等，其混合動力系統(tǒng)結構如圖 1.2 所示。由圖 1.2 可知，發(fā)動機與電機獨立輸出動力，通過同軸輸出達到轉矩耦合的效果，因此，混合動力系統(tǒng)驅動整車時可以選擇發(fā)動機單獨驅動或者發(fā)動機電動機聯(lián)合驅動的工作模式。1 由以上分析可以看出，并聯(lián)式混合動力汽車的動力性能較好，但發(fā)動機常于非高效區(qū)工作。 混聯(lián)混合動力汽車 混聯(lián)混合動力汽車主要有開關式混聯(lián)混合動力汽車

5、和功率分流式混合動力汽車兩大類11。其中功率分流式混合動力汽車應用更為廣泛并且在發(fā)動機工作點控制更為靈活。圖 1.3 所示為一種功率分流式混合動力汽車的構型圖。功率分流式混合動力系統(tǒng)主要由行星齒輪機構并結合兩個電機組成。根據(jù)其構型特點，功率分流式混合動力系統(tǒng)可實現(xiàn)發(fā)動機工作點與車輪的完全解耦，并通過其中一個電機的調速作用和另一個電機的轉矩補償使發(fā)動機穩(wěn)定工作于高效率區(qū)間。混聯(lián)式的構型分為兩種形式，開關式和功率分流式。其中功率分流式構型應用較多，可通過行星機構將發(fā)動機的功率進行任意比例分流，一部分通過機械路徑輸出，另一部分通過電路徑輸出。構型能將發(fā)動機和輸出軸的轉速轉矩解耦，實現(xiàn)無極變速，因此也

6、將這套裝置稱為電子無極變速器，簡稱 EVT2。結構簡圖如圖 1.3 所示，該構型的系統(tǒng)效率高，結構緊湊。但有控制方法繁瑣，制造工藝要求高等缺點。目前豐田 Prius3，通用 Volt4，凱迪拉克凱雷德5等車型都采用了功率分流式 EVT構型。其中功率分流式構型能夠實現(xiàn)無極變速，這樣能更大程度上的降低發(fā)動機的燃油消耗和有害氣體的排放。這使得此類構型在混合動力汽車構型中占據(jù)著巨大的優(yōu)勢，使用功率分流構型的 Prius 也成為了最為暢銷的混合動力車型。 國內對功率分流式混合動力汽車（power-split HEV）的研究起步比較晚，至今還沒有成為體系。目前，主要集中于一些高校對功率分流式混合動力系統(tǒng)的

7、研究，例如北京理工，清華大學，吉林大學等。另外，國內的各大汽車企業(yè)也紛紛致力于研究功率分流式混合動力系統(tǒng)。 2011 年，中汽研在“2011 中國汽車產業(yè)發(fā)展（泰達）國際論壇”發(fā)布了其自行研發(fā)的混合動力總成 CHS。中汽研公司歷經 8 年研制出用于深度混聯(lián)混合動力汽車的雙行星排混合動力總成產品。目前，該系列產品主要用于大客車和 SUV 的混合動力車型。 國外研究現(xiàn)狀 國外對 power-split HEV 的研究集中在單模功率分流式混合動力系統(tǒng)和雙模功率分流式混合動力系統(tǒng)上。單?；旌蟿恿ο到y(tǒng)主要以豐田 Prius 系列為主導構型，雙模系統(tǒng)主要以通用雙模系統(tǒng)為主導構型。 Toyota 公司的第一

8、代 Prius 汽車和第二代 Prius 汽車采用的動力系統(tǒng)（THS 系統(tǒng)）將單行星排作為功率分配裝置，如圖 1.4 所示，其采用的是輸入分配式構型為原形的單?；旌蟿恿?005 年已經推出第三代 2006 款的 Prius。其動力系統(tǒng)（THS）在 THS 系統(tǒng)的基礎上增加第二排行星排，第二個行星排起到對主電機的減速增扭作用，從而可以采用較小的主電機或者另一方面提高動力系統(tǒng)的動力性，其構型圖 1.5 所示。 在2011 法蘭克福車展上正式亮相的豐田 Plug-inPrius 沿用了第三代 Prius 的動力系統(tǒng)6。另外，該動力系統(tǒng)已經應用于 Lexus RX400h 和Toyota Highla

9、nder 混合動力汽車中系統(tǒng)。如圖 1.6 所示為 Lexus GS450h 采用的動力系統(tǒng)構型，該動力系統(tǒng)是在 THS 系統(tǒng)的基礎上增加拉維娜（Ravigneaux）式行星齒輪機構和兩個離合器（或制動器）。通過控制兩個離合器，可以改變主電機對車輪的固定減速比，應用于高速和低速兩個模式，從而提高系統(tǒng)效率。 2005 年 通 用 公 司 與 戴 姆 勒 克 萊 斯 勒 、 寶 馬 聯(lián) 合 組 成 GHC(Global Hybrid Cooperation)，共同合作開發(fā)出雙模式混合動力系。該雙模技術在 2005 年的底特律北美車展中，所推出的 GMC Graphite SUV 概念車已經應用了該

10、雙模技術。2007年，該雙模技術首先應用于 Chevrolet Tahoe 混合動力汽車中，相繼在通用公司的 GMC Yukon、Chevrolet Silverado 等車型、克萊斯勒公司的 Dodge Durango 等車型中也應用了雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)。如圖 1.7 左圖所示為通用公司的雙排雙模動力系統(tǒng)，圖 1.7 右圖所示為通用公司的三排實現(xiàn)的雙模動力系統(tǒng)。除此之外，還有福特公司以及凱迪拉克公司也推出了功率分流式混合動力車型。 其中功率分流式混合動力系統(tǒng)主要包括行星齒輪機構、發(fā)動機和兩個電機，其中，行星齒輪機構是混合動力系統(tǒng)的動力耦合裝置7。根據(jù)行星齒輪機構具有多自由度的構型特點，在混合動

11、力系統(tǒng)中利用兩個電機來限制其自由度。其中一個電機使發(fā)動機轉速與車輪轉速解耦，另一個電機使發(fā)動機與車輪的轉矩解耦。因此，在該功率分流式混合動力系統(tǒng)中，通過控制一個電機的轉矩和另一個電機的轉速可以使發(fā)動機工作點維持在目標轉矩和轉速處，而這會帶來混合動力系統(tǒng)的功率分流現(xiàn)象，即發(fā)動機的功率經由兩個路徑傳遞到車輪，電路徑和機械路徑8，9。電路徑中，發(fā)動機的一部分輸出。功率經過其中一個以發(fā)電狀態(tài)工作的電機，給另一個以驅動狀態(tài)工作的電機提供電能，通過機械能的二次轉換將能量輸出到車輪。因此功率分流式混合動力汽車的這種現(xiàn)象也稱為功率分流現(xiàn)象。電路徑的加入也使無極變速（EVT）的實現(xiàn)成為了可能。雖然發(fā)動機可以通過

12、兩個電機的調節(jié)工作在最優(yōu)曲線上，但是電路徑中由于能量轉換時存在不可避免的功率損失，從而影響整個系統(tǒng)的傳動效率10，11。在功率分流式混合動力系統(tǒng)中，發(fā)動機輸出功率分配到電路徑的功率與直接以機械形式傳遞的功率的比值是連續(xù)可變的。當分配到電路徑的功率比值較小時，整個系統(tǒng)的傳動效率較高。因此，該動力系統(tǒng)在控制發(fā)動機工作點在經濟區(qū)域的同時，可以通過控制電路徑功率比值來提高系統(tǒng)傳遞效率。這一原則也用于PS-CVT中，這種動力系統(tǒng)是由一個V帶CVT，一個固定速比和一個行星齒輪組成，在該系統(tǒng)中通過減小流經 V 帶 CVT 中功率比值來提高系統(tǒng)效率26-30。當電路徑功率為零時，發(fā)動機的輸出功率全部以機械路徑

13、傳遞，此時系統(tǒng)的傳動效率達到最高。這時所對應的傳動比定義為機械點（MP）。當功率分流式混合動力汽車運行在機械點附近時，混合動力系統(tǒng)的功率分流小，系統(tǒng)傳動效率高。根據(jù)這一原則，一些雙?；蚨嗄Ｊ降墓β史至魇交旌蟿恿ο到y(tǒng)通過增加機械點來提高其系統(tǒng)傳動效率10。 在功率分流式混合動力系統(tǒng)中，發(fā)動機功率以電路徑和機械路徑兩個并行路徑來傳遞到車輪，根據(jù)功率流向的不同主要分為兩種形式：功率分流（power splitting）和功率循環(huán)（power recirculating）11-12。以 Prius 構型為例，如圖 1.8 所示為其動力系統(tǒng)的功率流圖。 圖 1.8 Prius 動力系統(tǒng)中的功率流當出現(xiàn)功

14、率循環(huán)現(xiàn)象時，如圖 1.8（b）所示，電路徑在輸出軸處沒有動力輸出，即電路徑中的功率不會作用在驅動整車上。并且，此時發(fā)動機的功率可能會遠遠超過整車所需求的功率并更大程度的降低系統(tǒng)傳動效率。功率分流以及功率循環(huán)現(xiàn)象的發(fā)生根據(jù)傳動比的值而決定的。對于 Prius 所采用的輸入分配式混合動力系統(tǒng)，當傳動比大于機械點時，出現(xiàn)功率分流現(xiàn)象，當傳動比小于機械點時出現(xiàn)功率循環(huán)現(xiàn)象。因此輸入分配模式在汽車高速（較小傳動比）時，效率比較低。輸入分配模式比較適用于低速模式。輸出分配模式在高速時為功率分流，低速時為功率循環(huán)現(xiàn)象。復合分配模式內部功率流向比較復雜，該模式下當傳動比在兩個機械點之間時功率分流比值較小，遠

15、離兩個機械點時功率分流增大。與單模系統(tǒng)相比，雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)通過結合兩種模式的優(yōu)勢，互相彌補不足來減小出現(xiàn)功率循環(huán)現(xiàn)象的傳動比范圍，從而提高系統(tǒng)效率。根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)一般是由復合分配模式和輸入分配模式兩個模式結合來實現(xiàn)。 功率分流式混合動力系統(tǒng)中，利用兩個電機分別對發(fā)動機的轉速和轉矩完全解耦，使發(fā)動機工作點可以自由控制，實現(xiàn)無極變速。因此這種動力系統(tǒng)在很大限度上提高了燃油經濟性。功率分流式混合動力系統(tǒng)在新能源汽車中體現(xiàn)出絕對的優(yōu)勢。并且在功率分流式 HEV 中，雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)在性能上相對于單?；旌蟿恿ο到y(tǒng)更有優(yōu)勢。作為混合動力汽車的核心部件，混合動力系統(tǒng)構型的確立是關鍵中

16、的關鍵，并且其構型的選擇是各動力總成的參數(shù)匹配以及整車控制策略建立的基礎，但是在國內外的研究中對于雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)構型設計的研究很少。而且由于雙模混合動力系統(tǒng)中所采用的兩個或兩個以上行星輪系之間的組合的自由性，造成雙模系統(tǒng)構型復雜多樣，以及系統(tǒng)內由于發(fā)動機功率經由兩個路徑傳遞到車輪，造成系統(tǒng)內功率流向以及系統(tǒng)效率的影響因素的復雜性和多樣性，這些因素都增加了雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)構型選型上的難度。 這些混聯(lián)式混合動力車型均使用了雙排或雙排以上行星齒輪機構的雙模 EVT 型混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。 從上述內容可知，國外因汽車制造及電控等技術的快速發(fā)展，EVT 型混聯(lián)式混合動力汽車已經成為較為成功的混合動力主

17、流車型。然而，我國僅有的幾款混聯(lián)式混合動力車型（一汽第二代混合動力客車和 B70 混合動力轎車）也僅僅是概念上的混聯(lián)式混合動力車型，因其動力系統(tǒng)中的發(fā)電機不參與驅動整車，不能對發(fā)動機和車輪轉速實現(xiàn)完全解耦，因而也不能避免車輛低速工況時，發(fā)動機低能耗的缺點。顯然，國內混聯(lián)式混合動力車型遠不及國外 EVT 型混聯(lián)式混合動力車型的綜合性能。在理論研究方面，相比之下，目前國內的混合動力汽車與國外相比還集中在串聯(lián)和并聯(lián)混合動力汽車的研究13,14,15,16，對于極具優(yōu)勢的 EVT 型混聯(lián)式混合動力車型的研究與國外相比還存在很大的差距。綜合以上兩個方面，可以說國內 EVT 型混聯(lián)式混合動力汽車自主開發(fā)，

18、仍有很長的路要走，將需要更多學者和科研人員的不斷努力和學習才能夠最終實現(xiàn)。 二. 結論 通過前文的內容可以知道，混合動力汽車因具備節(jié)能和環(huán)保的雙重優(yōu)勢將成為 21世紀汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經階段。尤其對于匯集了串聯(lián)和并聯(lián)混合動力汽車所有優(yōu)勢的混聯(lián)式混合動力汽車，再加上電力機械無級變速器 EVT 在混聯(lián)混合動力汽車上的應用，使節(jié)能和環(huán)保的雙重優(yōu)勢發(fā)揮到了極致，因此，EVT 型混聯(lián)式混合動力汽車將成為混合動力汽車競相發(fā)展的目標。但對于處于初級研究階段的我國來說，對 EVT型混聯(lián)式混合動力汽車的研究將面臨更大的困難，主要表現(xiàn)在以下三個方面： （1）EVT 式混聯(lián)混合動力汽車動力總成系統(tǒng)構型復雜、構成

19、方案繁多，高達幾千甚至上萬種，給研究人員研究帶來極大的挑戰(zhàn)。 （2）EVT 式混聯(lián)混合動力汽車動力總成系統(tǒng)具有更多的自由度，使動力總成參數(shù)匹配變成了更加復雜的非線性多目標最優(yōu)求解問題。 （3）EVT 式混聯(lián)混合動力汽車的仿真模型和控制能源管理控制策略，以及控制參數(shù)的優(yōu)化也相對于串聯(lián)和并聯(lián)式混合動力汽車更加復雜。 1 王偉華. 并聯(lián)混合動力汽車的控制D. 吉林大學博士論文. 2006.52 Syed F U. Modeling and control methods for improving drivability, power management and fuel economy in a

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